Sara Beery llegó al MIT como profesora asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT (EEC) ansiosa por centrarse en los desafíos ecológicos. Ella ha creado su carrera de investigación en torno a la oportunidad de aplicar su experiencia en visión por computadora, aprendizaje automático y ciencia de datos para abordar los problemas del mundo real en conservación y sostenibilidad. Beery se sintió atraída por el compromiso del Instituto con la «Computación para el planeta», y se propuso llevar sus métodos al monitoreo ambiental y de biodiversidad a escala global.
En el noroeste del Pacífico, el salmón tiene un impacto desproporcionado en la salud de sus ecosistemas, y sus complejas necesidades reproductivas han atraído la atención de Beery. Cada año, millones de salmón se embarcan en una migración para desovar. Su viaje comienza en camas de arroyos de agua dulce donde eclosionan los huevos. Los jóvenes fritos de salmón (salmón recién nacido) se dirigen al océano, donde pasan varios años madurando hasta la edad adulta. Como adultos, el salmón regresa a las corrientes donde nacieron para desovar, asegurando la continuación de su especie depositando sus huevos en la grava de los lechos de la corriente. Tanto el salmón masculino como el femenino mueren poco después de suministrar el hábitat del río con la próxima generación de salmón.
A lo largo de su migración, el salmón apoya una amplia gama de organismos en los ecosistemas que pasan. Por ejemplo, el salmón trae nutrientes como el carbono y el nitrógeno del río río arriba, mejorando su disponibilidad a esos ecosistemas. Además, el salmón es clave para muchas relaciones depredador-pre-pore: sirven como fuente de alimento para varios depredadores, como osos, lobos y aves, al tiempo que ayudan a controlar a otras poblaciones, como los insectos, a través de la depredación. Después de morir por el desove, los cadáveres de salmón en descomposición también reponen nutrientes valiosos al ecosistema circundante. La migración del salmón no solo sostiene su propia especie, sino que juega un papel fundamental en la salud general de los ríos y los océanos que habitan.
Al mismo tiempo, las poblaciones de salmón juegan un papel importante tanto económica como culturalmente en la región. La pesca de salmón comercial y recreativa contribuye significativamente a la economía local. Y para muchos pueblos indígenas en el noroeste del Pacífico, el salmón tiene un valor cultural notable, ya que han sido centrales para sus dietas, tradiciones y ceremonias.
Monitoreo de la migración del salmón
El aumento de la actividad humana, incluida la sobrepesca y el desarrollo de la energía hidroeléctrica, junto con la pérdida de hábitat y el cambio climático, han tenido un impacto significativo en las poblaciones de salmón en la región. Como resultado, el monitoreo efectivo y la gestión de la pesca de salmón es importante para garantizar el equilibrio entre los intereses ecológicos, culturales y humanos competidores. Contar con precisión el salmón durante su migración estacional a su río Natal para desove es esencial para rastrear poblaciones amenazadas, evaluar el éxito de las estrategias de recuperación, guiar las regulaciones de la temporada de pesca y apoyar el manejo de las pesquerías comerciales y recreativas. Los datos precisos de la población ayudan a los tomadores de decisiones a emplear las mejores estrategias para salvaguardar la salud del ecosistema al tiempo que acomodan las necesidades humanas. El monitoreo de la migración del salmón es una empresa intensiva e ineficiente.
Actualmente, Beery lidera un proyecto de investigación que tiene como objetivo optimizar el monitoreo de salmón utilizando métodos de visión por computadora de vanguardia. Este proyecto se ajusta al interés de investigación más amplio de Beery, que se centra en el espacio interdisciplinario entre la inteligencia artificial, el mundo natural y la sostenibilidad. Su relevancia para la gestión de la pesca lo convirtió en una buena opción para la financiación del Laboratorio de Agua y Sistemas de Agua y Alimentos Abdul Latif Jameel del MIT (J-WAFS). La subvención de semillas J-Wafs 2023 de Beery fue la primera financiación de investigación que fue otorgada desde que se unió a la facultad del MIT.
Históricamente, los esfuerzos de monitoreo se basaron en los humanos para contar manualmente el salmón de las orillas del río utilizando la vista. En las últimas décadas, se han implementado sistemas de sonar submarinos para ayudar a contar el salmón. Estos sistemas de sonar son esencialmente cámaras de video submarinas, pero difieren en que usan acústica en lugar de sensores de luz para capturar la presencia de un pez. El uso de este método requiere que las personas configuren una tienda de campaña junto al río para contar el salmón en función de la salida de una cámara de sonar que está conectada a una computadora portátil. Si bien este sistema es una mejora en el método original de monitorear el salmón por vista, todavía se basa significativamente en el esfuerzo humano y es un proceso arduo y que requiere mucho tiempo.
La automatización del monitoreo del salmón es necesaria para una mejor gestión de la pesca de salmón. «Necesitamos estas herramientas tecnológicas», dice Beery. «No podemos mantenernos al día con la demanda de monitorear y comprender y estudiar estos ecosistemas realmente complejos en los que trabajamos sin alguna forma de automatización».
Para automatizar el conteo de poblaciones de salmón migratorias en el noroeste del Pacífico, el equipo del proyecto, incluido Justin Kay, un estudiante de doctorado en EECS, ha estado recopilando datos en forma de videos de cámaras de sonar en diferentes ríos. El equipo anota un subconjunto de los datos para entrenar el sistema de visión por computadora para detectar y contar autónomos de forma autónoma a medida que migran. Kay describe el proceso de cómo el modelo cuenta cada pez migrante: “El algoritmo de visión por computadora está diseñado para localizar un pez en el marco, dibujar una caja a su alrededor y luego rastrearlo con el tiempo. Si se detecta un pez en un lado de la pantalla y se deja en el otro lado de la pantalla, entonces lo contamos como moviéndose aguas arriba ”. En los ríos donde el equipo ha creado datos de capacitación para el sistema, ha producido resultados sólidos, con solo un error de conteo de 3 a 5 por ciento. Esto está muy por debajo del objetivo que el equipo y las partes interesadas en asociación no hay más de un error de conteo del 10 por ciento.
Pruebas e implementación: equilibrio del esfuerzo humano y el uso de la automatización
La tecnología de los investigadores se está implementando para monitorear la migración del salmón en el río Klamath recién restaurado. Recientemente se demolieron cuatro represas en el río, lo que lo convierte en el proyecto de eliminación de presas más grande en la historia de los Estados Unidos. Las presas cayeron después de una campaña de más de 20 años para eliminarlas, que fue dirigida por las tribus Klamath, en colaboración con científicos, organizaciones ambientales y pescadores comerciales. Después de la eliminación de las presas, 240 millas del río ahora fluyen libremente y casi 800 millas cuadradas de hábitat son accesibles para el salmón. Beery señala la regeneración casi inmediata de las poblaciones de salmón en el río Klamath: «Creo que fue dentro de los ocho días de la presa que bajó, comenzaron a ver que el salmón realmente emergió río arriba más allá de la presa». En colaboración con California Trout, el equipo actualmente está procesando nuevos datos para adaptarse y crear un modelo personalizado que luego se puede implementar para ayudar a contar el salmón recién migrante.
Un desafío con el sistema gira en torno al entrenamiento del modelo para contar con precisión los peces en entornos desconocidos con variaciones como características del lecho del río, claridad de agua y condiciones de iluminación. Estos factores pueden alterar significativamente cómo aparecen los peces en la producción de una cámara de sonar y confundir el modelo de computadora. Cuando se implementa en nuevos ríos donde no se han recopilado datos antes, como el Klamath, el rendimiento del sistema se degrada y el margen de error aumenta sustancialmente a 15-20 por ciento.
Los investigadores construyeron un algoritmo de adaptación automática dentro del sistema para superar este desafío y crear un sistema escalable que pueda implementarse en cualquier sitio sin intervención humana. Esta tecnología de autoinicialización funciona para calibrar automáticamente las nuevas condiciones y el entorno para contar con precisión el pescado migratorio. En las pruebas, el algoritmo de adaptación automática pudo reducir el error de conteo al rango de 10 a 15 por ciento. La mejora en el error de contar con la función de autoinicialización significa que la tecnología es más cercana a ser desplegable para nuevas ubicaciones sin mucho esfuerzo humano adicional.
Habilitar la gestión en tiempo real con la «caja de pescado»
Otro desafío que enfrentó el equipo de investigación fue el desarrollo de una infraestructura de datos eficiente. Para ejecutar el sistema de visión por computadora, el video producido por las cámaras de sonar debe entregarse a través de la nube o enviando manualmente los discos duros desde un sitio de río hasta el laboratorio. Estos métodos tienen inconvenientes notables: un enfoque basado en la nube es limitado debido a la falta de conectividad a Internet en las ubicaciones de los sitios de Remote River, y el envío de los datos introduce problemas de retraso.
En lugar de confiar en estos métodos, el equipo ha implementado una computadora de bajo consumo, acuñó la «caja de pescado», que puede usarse en el campo para realizar el procesamiento. Fishbox consiste en una pequeña computadora liviana con software optimizado que los gerentes de pesca pueden conectarse a sus computadoras portátiles y cámaras de sonar existentes. El sistema es capaz de ejecutar modelos de conteo de salmón directamente en los sitios de sonar sin la necesidad de conectividad a Internet. Esto permite a los gerentes tomar decisiones de hora por hora, apoyando la gestión más receptiva en tiempo real de las poblaciones de salmón.
Desarrollo comunitario
El equipo también está trabajando para reunir a una comunidad en el monitoreo de la gestión de la pesca de salmón en el noroeste del Pacífico. «Es bastante emocionante tener a las partes interesadas que estén entusiasmadas por acceder a [our technology] A medida que avanzamos y tener una integración y colaboración más estrictas con ellos ”, dice Beery. “Creo que particularmente cuando trabaja en los sistemas de alimentos y agua, necesita una colaboración directa para ayudar a facilitar el impacto, porque está asegurando que lo que desarrolla realmente satisface las necesidades de las personas y las organizaciones que está ayudando a apoyar. »
En junio pasado, el laboratorio de Beery organizó un taller en Seattle que convocó a organizaciones no gubernamentales, tribus y departamentos estatales y federales de pescado y vida silvestre para discutir el uso de sistemas de sonar automatizados para monitorear y administrar las poblaciones de salmones. Kay señala que el taller fue una «oportunidad increíble para que todos compartieran diferentes formas en que están usando sonar y pensando en cómo los métodos automatizados que estamos construyendo podrían encajar en ese flujo de trabajo». La discusión continúa ahora a través de un canal de holgura compartido creado por el equipo, con más de 50 participantes. Convocar a este grupo es un logro significativo, ya que muchas de estas organizaciones no habrían tenido la oportunidad de unirse y colaborar.
Pensando en el futuro
A medida que el equipo continúa sintonizar el sistema de visión por computadora, refinar su tecnología e interactuar con diversas partes interesadas, desde comunidades indígenas hasta gerentes pesqueros, el proyecto está listo para hacer mejoras significativas en la eficiencia y precisión de la monitorización y gestión de salmones en la región. Y a medida que Beery avanza el trabajo de su grupo MIT, la subvención de semillas de J-Wafs está ayudando a mantener desafíos como la gestión de la pesca en su mira.
«El hecho de que la subvención de semillas de J-Wafs existiera aquí en el MIT nos permitió continuar trabajando en este proyecto cuando nos mudamos aquí», comenta Beery, y agregó «también amplió el alcance del proyecto y nos permitió mantener una colaboración activa sobre Lo que creo que es un proyecto realmente importante e impactante «.
Como J-Wafs marca su décimo aniversario este año, el programa tiene como objetivo continuar apoyando y alentando a la facultad del MIT a buscar proyectos innovadores que tengan como objetivo avanzar en el conocimiento y crear soluciones prácticas con impactos del mundo real en los desafíos globales del sistema de agua y alimentos.
